VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Ústav stavebního zkušebnictví Ing. Petr Cikrle, Ph.D. Rezonanční metoda Moduly pružnosti min L/4 II I H min L/4 d Podmínka: 2/3 d  H  L/2 L OBSAH PŘEDNÁŠKY        Rezonanční metoda – princip Spojitá a.

Download Report

Transcript VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Ústav stavebního zkušebnictví Ing. Petr Cikrle, Ph.D. Rezonanční metoda Moduly pružnosti min L/4 II I H min L/4 d Podmínka: 2/3 d  H  L/2 L OBSAH PŘEDNÁŠKY        Rezonanční metoda – princip Spojitá a.

VYSOKÉ
UČENÍ
TECHNICKÉ
V BRNĚ
FAKULTA
STAVEBNÍ
Ústav stavebního
zkušebnictví
Ing. Petr Cikrle, Ph.D.
Rezonanční metoda
Moduly pružnosti
min L/4
II
I
H
min L/4
d
Podmínka:
2/3 d  H  L/2
L
OBSAH PŘEDNÁŠKY







Rezonanční metoda – princip
Spojitá a impulsní metoda (starší a nové přístroje)
Způsob měření – druhy kmitání
Výpočet dynamického modulu pružnosti
Statický modul pružnosti v tlaku
Statický modul pružnosti ze zkoušky v tahu
ohybem
Závěr
Rezonanční metoda - princip


Každý předmět z tuhého materiálu se po
mechanickém impulsu rozkmitá.
Jako rezonanci (vlastní kmitočet)
označujeme jev vzrůstu amplitudy
vynucených kmitů zkoušeného tělesa na
maximum, ke kterému dochází v případě,
kdy kmitočet vnější budicí síly je shodný
s vlastním (rezonančním) kmitočtem tělesa.
Rezonanční metoda



Prvek pravidelného tvaru (hranol, válec)
rozkmitáváme elektromagnet. budičem;
frekvenci buzení plynule měníme (!) v
rozsahu od 30 Hz do 30kHz a hledáme
vznik max. amplitudy, tj. rezonance prvku.
měřenými veličinami jsou rezonanční
frekvence podélného, příčného (ohybového)
a kroutivého kmitání.
Přístroj RP - 2 pro měření
rezonančních frekvencí
čítač
měnič
rozsahu
osciloskop
měnič
frekvence
budič
měřený vzorek
snímač
Ukázka měření přístrojem RP - 2
Přístrojové vybavení pro měření
impulsního kmitání
REZONANČNÍ METODA
– měřené a vypočtené veličiny
a, b (d), L

f
Vzájemná souvislost mezi
tvarem, rozměry, objem.
hmotností, vlastní frekvencí
a modulem pružnosti tělesa
E, G, 
Můžeme určit pružnostní charakteristiky materiálu:
• Dynamický modul pružnosti v tahu a tlaku Edr,
• Dynamický modul ve smyku Gdr
• Dynamický Poissonův poměr νdr
• Změny těchto veličin při zrání nebo naopak degradaci
ZKUŠEBNÍ TĚLESA
Základní zkušební tělesa (válec, hranol)
Jiná zkušební tělesa (deska, krychle, štíhlý hranol)
Postup při rezonančním měření






výpočet očekávaného kmitočtu podélného kmitání fL´,
např. z doby průchodu ultrazvuku;
změří se skutečný podélný kmitočet fL;
pro kontrolu se změří druhý vlastní podélný kmitočet
fL2 = 2×fL ;
ze skutečného podélného kmitočtu fL se vypočtou
očekávané kmitočty ft´ a ff´;
rezonanční zkouškou se změří skutečný kroutivý ft a
skutečný příčný ff kmitočet vzorku;
provede se výpočet dynamických charakteristik.
Podélné L kmitání (longitudinal)

Způsob podepření hranolu, umístění budiče “B” a
snímače “S” při měření 1. vlastního kmitočtu
podélného kmitání fL - uzel uprostřed, kmitny na konci
Určení očekávaných prvních vl.
kmitočtů podélného kmitání fL´

Přibližnou hodnotu podélné frekvence f´L v kHz
určíme výpočtem z doby průchodu ultrazvukového
vlnění vL vzorkem ve směru jeho délky
500
f ´L 
T
• T je doba průchodu ultrazvuku ve směru ”L”, v s;
• f´L je přibližná hodnota podélné frekvence, v kHz.
vL
f ´L 
2L
L
vL 
T
Příčné f kmitání (flexible)
první příčný kmitočet ff
S
B
0,224 L
0,224 L

Měření 1. vlastního kmitočtu příčného kmitání ff

dva uzly 0,224L od kraje, kmitny uprostřed a na
koncích.
Kroutivé t kmitání (torsional)
první kroutivý kmitočet ft
S
B
L/2
L/2

Měření 1. vlastního kmitočtu kroutivého kmitání ft -

uzel uprostřed, kmitny na koncích.
Očekávané první vl. kmitočty
příčného a kroutivého kmitání
Pro určité podmínky byl odvozen vzájemný vztah
podélné, kroutivé a příčné rezonanční frekvence vzorku

f ´t    f L

fL
je skutečně naměřená frekvence podélného kmitání;
f´t
přibližná frekvence kroutivého kmitání;
f´f
přibližná frekvence příčného kmitání.


f ´f    fL

pro hranol = 0,59,
 závisí na délce hranolu:
pro L=3d je  =0,52
pro L=4d je  =0,43
IMPULSNÍ KMITÁNÍ – PODÉLNÉ
S
B
L/2
L/2
IMPULSNÍ KMITÁNÍ – PŘÍČNÉ
první příčný kmitočet ff
S
B
0,224 L
0,224 L
IMPULSNÍ KMITÁNÍ – KROUTIVÉ
první kroutivý kmitočet ft
S
B
L/2
L/2
Dynamický modul pružnosti v
tahu a tlaku Ebr

Z 1. vlastního kmitočtu podélného kmitání:
EbrL  4  L2  f L2  

Z 1. vlastního kmitočtu příčného kmitání:
Ebrf
1
 0,0789  c1  L  f    2
i
4
2
f
i
a
i
je poloměr setrvačnosti průřezu v m;
L
je délka vzorku v m;
c1
je korekční součinitel, zahrnující vliv smyku a setrvačnosti
12
Dynamický modul pružnosti ve
smyku Gbr a Poissonův poměr br
Gbr z 1. vlastního kmitočtu kroutivého kmitání:

Gbr  4  k  L  ft  
2
2
k je součinitel, závislý na tvaru průřezu vzorku, pro čtverec k = 1,183
Dynamický Poissonův poměr:

EbrL
 br 
1
2  Gbr

br může nabývat hodnot v intervalu (0,0 ; 0,5)
MOŽNOSTI PRO ZJIŠTĚNÍ
MRAZUVZDORNOSTI
• Zjišťování poruch vnitřní struktury důsledkem měnících se
vlastností betonu v čase – vliv zrání, působení mrazu a
agresivního prostředí
• Možnosti rezonanční metody při stanovení odolnosti
betonu proti zmrazování – experiment:
tělesa z betonu třídy C75/85 – 200 zmrazovacích cyklů;
kontrolní měření vždy po 25 cyklech;
stanovení dynamických modulů pružnosti (Ebu, Ebrf, EbrL);
porovnání s pevnostmi v tahu ohybem a v tlaku
Relativní dynamický modul
RDM
RDM (F)
RDM (T)
RDM (U)
100
100
90
90
80
80
70
70
60
60
RF(f) = 100 %
50
50
40
40
30
RF(f) = 30%
30
20
20
10
10
0
0
0
25
50
75
100
125
Počet mrazových cyklů
150
175
200
Relativní pevnost
v tahu ohybem [%]
Relativní modul pružnosti [%]
RDM (L)
ZÁVĚR

Rezonanční metoda je čistě nedestruktivní
– opakovatelnost měření, vývoj v čase

Lze určit dynamické charakteristiky
materiálu, zejména moduly a relativní
moduly pružnosti

Hlavní metoda pro mrazuvzdornost – lze
odhalit trhliny i mikroporuchy

Využití pouze na menší prvky
STATICKÝ MODUL
PRUŽNOSTI
 Modul
pružnosti E:
 Zjišťuje
se z deformací, které nastávají
při známém zatížení, na
základě Hookova zákona: „Napětí je
přímo úměrné poměrnému
přetvoření“, neboli s = E×.
Pracovní diagram betonu
s [% f c ]
100
fc
4
90
5
80
70
platí zákon Bach - Schülle
s n = E
60
50
40
30
f c/ 3
20
10
0
0,00
~25%
2
0,5 MPa
0,05
platí zákon Hookeův
s = E
0,10
0,15
 [%]
0,20
Zkušební tělesa
Zkušební tělesa:

hranol nebo válec

L/d = 2 až 4

min L/4
II
I
2 snímače deformací
H
min L/4
d
Podmínka:
2/3 d  H  L/2
L
Centace tělesa


DlI, DlII
±20%
Neúspěšné centrování
Úspěšné centrování
Dl )  20%

(DlI)
I

(DlII)
II
I
(DlI)
II
(DlII)
Zatěžování při centraci
Centrování zkušebního tělesa
s a ( f c /3)
60 s
3A
neúspěšné
centrování
napětí [N/mm2]
sb
60 s
3B
napětí:
úspěšné
centrování
úplné
odtížení
2A
základní
horní
odtížení na
0,5 MPa
2B
4
(0,5)
1A
0
1B
čas
vyvozené
měření údajů
na přístrojích
(max. 30 s)
Zatěžování při měření
zatěžování
do porušení
tělesa - sc
Zatěžování zkušebního tělesa
2. předběžný
cyklus
1. předběžný
cyklus
napětí:
základní
60 s
60 s
napětí [N/mm 2]
sb
9
7
5
sa
měření E
horní
vyvozené
měření údajů
na přístrojích kontrolní
60 s
60 s
60 s
4
6
8
čas
měření údajů na
přístrojích pro
výpočet modulu
Výpočet modulu pružnosti I.
Mechanické napětí:
F
s 
A
Poměrné přetvoření:
D 
I
Dl I
H
D 
D I  D II
2
DlI, DlII : je přetvoření
[mm];
A je tlačná plocha tělesa
[mm2]
H je délka měřicí
základny (200 mm).
F je působící síla, [N]
Výpočet modulu pružnosti I.
Statický modul pružnosti v tlaku Ec v N/mm2
vypočítáme ze vztahu :
Ds s a  s b
Ec 

D
D


sa je horní zatěžovací napětí v N/mm2;
sb je základní zatěžovací napětí v N/mm2;
je průměrná změna poměrného
přetvoření mezi horním a základním napětím.
 D
Modul pružnosti ze zkoušky v
tahu ohybem
• vychází z ČSN 73 6174
„Stanovení modulu pružnosti a přetvárnosti
betonu ze zkoušky v tahu ohybem“
• hranoly 100×100×400 mm, 150×150×600 mm
• čtyřbodový ohyb
• měřicí rámeček s digitálním úchylkoměrem
Výpočet dle vztahu:

F l 
l2
E
 0,213 2  0,46 
fe  b  h 
h

Modul pružnosti ze zkoušky v tahu ohybem –
měření průhybů

Hodnoty modulu pružnosti betonu v N/mm2
podle Eurocode 2 a ČSN 73 1201
Třída betonu:
-
C12/15
C16/20
C20/25
C25/30
C30/37
C35/45
C40/50
C45/55
C50/60
B10
B15
B20
B25
B30
-
B45
B50
B55
B60
Ec podle
Eurocode 2
-
26 000
27 500
29 000
30 500
32 000
33 500
35 000
36 000
37 000
Eb podle
ČSN 731201
18 000
23 000
27 000
30 000
32 500
-
37 500
39 000
39 500
40 000
Eurocode 2
ČSN 731201
ZÁVĚR
Pro stanovení modulu pružnosti 4 metody:
 Dynamický E - ultrazvuk – i na konstrukci
 Dynamický E - rezonance – menší prvky, citlivější na
trhliny
 Statický modul v tlaku – velmi používaná v praxi
 Statický modul ze zkoušky v tahu ohybem – méně
častá, zejména pro vozovky a mosty
 Statické jsou o 15 až 30% nižší než dynamické, lze
získat přpočtem